量子自旋液体的概念复杂且难以理解。
首先，它们与我们日常接触的液体如水或果汁并无关联，而是与特定的磁性材料及其自旋行为密切相关。在常规磁性材料中，随着温度的降低，电子的自旋会冻结并形成固态。然而，在量子自旋液体中，电子的自旋并不会冻结——相反，它们保持着流动状态，仿佛在自由流动的液体中。
量子自旋液体被认为是目前已知的纠缠程度最高的量子态之一，其特性被认为是推动量子技术发展的关键。尽管科学家们花费了50年的时间寻找它们，并提出了多种理论来支持其存在，但迄今为止，尚未找到这种物质状态的确凿证据。
实际上，由于直接测量量子纠缠的难度，研究人员可能永远无法获得这些证据。阿尔伯特·爱因斯坦曾将这种现象称为“幽灵般的远距离作用”，即两个原子之间的连接使得它们能够交换信息，无论相距多远。
围绕量子自旋液体的神秘性引发了关于凝聚态物理中这一奇特物质的诸多未解之谜。在《自然通讯》上发表的一篇新论文中，由布朗大学的物理学家团队开始探讨一个关键问题，并通过引入物质的新相来实现这一目标。
这一切都与无序有关。
布朗大学的物理学助理教授、该研究的主要作者肯普·普拉姆(Kemp Plumb)指出，“所有材料在某种程度上都存在无序”，这种无序性与系统的微观组成方式的数量有关。例如，一个有序的系统，如固体晶体，几乎无法重新排列，而一个无序的系统，如气体，则没有真正的结构。
在量子自旋液体中，无序引入的差异与液体背后的理论相悖。一种流行的解释是，当无序被引入时，材料不再是量子自旋液体，而仅仅是处于无序状态的磁性材料。“因此，最大的问题是量子自旋液体是否在无序存在的情况下依然存在，如果存在，它又是如何存在的？”普拉姆说。
研究人员通过使用世界上最亮的X射线分析他们研究的化合物中的电磁波，以寻找量子自旋液体的蛛丝马迹。测量结果表明，材料在低温下不仅没有磁性有序（或冻结），而且系统中的无序也不会模仿或破坏量子液态。
他们发现，这确实会显著改变量子自旋液体的特性。
“量子液态在某种程度上得以存续，”普拉姆表示。“它不会像普通磁铁那样冻结。它保持在动态状态，但就像这个动态状态的去相关版本。我们现在的解释是，量子自旋液体在整个材料中被分解成小水坑。”
这些发现表明，他们所研究的材料，即量子自旋液体的主要候选者之一，似乎确实接近于量子自旋液体，但存在一个额外的成分。研究人员假设这是一种无序的量子自旋液体，使其成为无序物质的新相。
普拉姆说：“这种材料可能发生的一件事是，它变成了非量子自旋液态的无序版本，但我们的测量结果会告诉我们这一点。”“相反，我们的测量结果表明，这是非常不同的东西。”
这些结果加深了对无序如何影响量子系统及其解释的理解，这在探索这些材料用于量子计算时至关重要。
这项工作是普拉姆在布朗大学实验室对奇异磁态长期研究的一部分。研究的重点是化合物H3LiIr2O6，这种材料被认为是特殊类型的量子自旋液体的原型，称为基塔耶夫自旋液体。尽管已知H3LiIr2O6在低温下不会冻结，但在实验室中合成H3LiIr2O6极为困难，且已知H3LiIr2O6中存在无序，这使得其是否真正为自旋液体变得模糊不清。
布朗大学的研究人员与波士顿学院的合作者共同合成了这种材料，并使用伊利诺伊州阿贡国家实验室的强大X射线系统用高能光照射它。光激发了化合物的磁性，而由此产生的波的测量是测量纠缠的一种变通方法，因为这种方法提供了一种观察光如何影响整个系统的方式。
接下来，研究人员希望通过改进方法、材料本身以及研究不同的材料来继续扩展这项工作。
“未来最重要的事情是我们一直在做的事情，那就是继续寻找元素周期表为我们提供的广阔材料空间，”普拉姆说。“现在我们对我们组合的元素如何影响相互作用或产生影响自旋液体的不同类型的无序有了更深入的理解。我们获得了更多的指导，这非常重要，因为这确实是一个非常广阔的搜索空间。”
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希望本篇文章《研究人员深入探讨无序对量子自旋液体的影响，揭示新物质阶段的形成》能对你有所帮助！
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